[发明专利]利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量系统及方法

权利要求书

1、一种利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量方法，其特征在于：超辐射发光二极管SLD发出谱宽为40nm的光经过光纤3dB-耦合器以及光纤自准直透镜Z1后被准直成平行光束，色散和准直系统将此光束色散准直成波长在空间连续分布的平行光片，此平行光片经过平柱聚焦透镜聚焦，此平柱聚焦透镜的柱面镀有半透半反膜，一半的光强被反射沿原路返回，此部分光作为参考光，另一半的光强透射并被聚焦成光线投射到被测表面上，不同波长被不同被测点反射回系统，与参考光干涉后再次经过色散和准直系统、光纤自准直透镜Z1以及光纤3dB-耦合器，被另一个光纤自准直透镜Z2准直成平行光束，另一个色散和准直系统将此平行光束又一次色散准直成波长在空间连续分布的平行光片，由高速线阵CCD探测，高速线阵CCD不同的像元探测到不同波长干涉信号，测出每个像元的干涉信号相位变化量，即测出对应被测点的在垂直于被测表面方向的变化值；信号发生器发出周期性的幅值一定的锯齿波电压驱动压电陶瓷PZT1调节测量光路的光程，如果被测表面是理想平面，那么，干涉信号与锯齿波信号同频率且同相位，如果被测表面不是理想平面，在垂直于被测表面方向存在Δd的变化，那么干涉信号与锯齿波信号之间存在的相位差为，其中λ为光波波长，比较干涉信号的相位与锯齿波信号的相位，经相位测量测出其相位差，经过A/D转换卡作模数转换，再由计算机作数据处理，测量出对应被测点在垂直于被测表面方向的变化值Δd，对高速线阵CCD的每一个像元输出的干涉信号依次进行这样的处理，即完成被测表面的二维测量，光线横向扫描被测表面，再逐个对高速线阵CCD每个像元输出的干涉信号作相同的处理，即完成被测表面的三维测量；高速线阵CCD前一个像元探测到的干涉信号的相位变化量测出以后，一方面输入计算机经过数据处理得到对应被测点在垂直于被测表面方向的信息，经过结果输出输出测量结果，另一方面，将测出的相位变化量经过信号处理，作为反馈信号反馈到位于测量光路中的压电陶瓷PZT2上，驱动该压电陶瓷调节补偿测量光路的光程，使该点的干涉信号的相位相对于锯齿波信号的相位之差回到零，相邻被测点在垂直于被测表面方向的最大差值为λ/2，λ为光波波长，但是对于整个被测表面，测量量程决定于压电陶瓷PZT2的最大伸长量，压电陶瓷PZT2最大伸长量为300μm，所述测量方法的测量量程达300μm。

2、根据权利要求1所述的一种利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量方法，其特征在于：利用所述的色散和准直系统将谱宽为40nm的平行光束转化为波长在空间连续分布的平行光片，再经过平柱聚焦透镜聚焦成一条光线，此光线扫描被测表面，从而实现对被测表面的线扫描测量；所述的色散和准直系统是由光栅和准直透镜组成。

3、一种实现权利要求1所述测量方法的利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量系统，其特征在于：该系统利用波长在空间连续分布的光线扫描被测表面进行线扫描测量，测量光路与参考光路共路构成共路干涉仪，利用压电陶瓷调节补偿测量光路光程的方法扩大量程，使系统的测量量程突破了波长的限制，所用的调节补偿测量光路光程的压电陶瓷的最大伸长量为300μm，系统的测量量程决定于该压电陶瓷的最大伸长量，测量量程达300μm；该系统是由超辐射发光二极管SLD、光纤3dB-耦合器、光纤自准直透镜Z1和光纤自准直透镜Z2、色散和准直系统、平柱聚焦透镜、压电陶瓷PZT1和压电陶瓷PZT2、高速线阵CCD、相位测量、信号处理、信号发生器、A/D转换卡、计算机、结果输出组成；利用超辐射发光二极管SLD、光纤3dB-耦合器、光纤自准直透镜Z1、色散和准直系统、柱面镀了半透半反膜的平柱聚焦透镜构成一个所述共路干涉仪，使振动和环境温度的漂移对测量系统的影响得到共模抑制，从而使该测量系统适用于在线测量。